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化學家成功合成了 20 年前首次預測的分子

  • Jamaal
二茂金屬概述。 信用:自然化學(2024)。 DOI:10.1038/s41557-024-01531-y

第一種也是最著名的茂金屬是“二茂鐵”,它含有單一鐵原子。 如今,夾心配合物可以在許多無機化學教科書中找到,茂金屬的鍵結和電子結構也在本科生化學課程中教授。 夾心分子在工業中也發揮著重要作用,它們被用作催化劑和特殊金屬聚合物的合成。

沒有人知道到底有多少三明治分子今天有,但數量肯定有數千。 它們都有一個共同點:位於兩個碳原子平環之間的單一金屬原子。

至少直到 2004 年塞維利亞大學的一個研究小組取得了驚人的發現之前,人們都是這麼認為的。 西班牙研究團隊成功合成了一種夾心分子,其中包含的不是一個而是兩個金屬原子。 長期以來,這種含有兩個鋅原子的「二茂金屬」一直是同類中的唯一例子,直到去年英國的一個研究小組成功合成了一種非常相似的含有兩個鈹原子的分子。

但現在,薩爾大學 André Schäfer 博士研究小組的博士生 Inga Bischoff 又向前邁出了一大步。 她成功地在實驗室合成了世界上第一個「異雙金屬」夾層絡合物——一種含有兩種不同金屬原子的二茂金屬。

2004年發現第一個二茂金屬後不久,理論工作表明二茂金屬不一定必須包含兩個相同的金屬原子,並且具有兩個不同金屬原子的配合物也應該是穩定的。 這些預測是基於使用強大計算機進行的量子化學建模計算而做出的。 儘管預測到了穩定性,但在比肖夫取得目前的突破之前,在實驗室中製造這種分子的所有嘗試都沒有成功。

「當你意識到自己手中握著的是什麼時,這真的很令人興奮和特別。肉眼,它看起來就像另一種白色粉末。 但我仍然清楚地記得當我們第一次在電腦螢幕上看到實驗確定的分子結構時的那一刻,我們知道我們有一個帶有兩種不同金屬原子的三明治分子,」謝弗博士說。

André Schäfer 和 Inga Bischoff 在實驗室中展示他們的新型二茂金屬樣本。 圖片來源:薩爾大學/Thorsten Mohr

Bischoff 解釋說:“您選擇哪種碳環與您想要將哪些金屬原子包圍在碳環之間同樣重要。這一點至關重要,因為環狀碳環和金屬原子的電子結構必須彼此匹配。”

「我們的『異雙金屬二茂金屬』中含有的金屬是鋰和鋁。計算預測這兩種金屬將是合適的候選者,因為它們的電子結構在某種意義上類似於兩個鋅原子,我們知道它們可以形成穩定的二茂金屬。

但聽起來如此簡單明了的事情花了幾個月的時間才實現。 此分子的活性非常高,只能在惰性氮氣或氬氣層下合成、儲存和分析。 如果它與空氣接觸,它就會分解。

一旦合成,就需要對該分子進行表徵,這涉及薩爾大學的整個科學家團隊。 他們的工作成果現已發表在自然化學。

「我們的異雙金屬二茂金屬實際上代表了一種全新的夾層分子,」研究小組負責人謝弗博士說。 「誰知道呢,也許有一天它也會被納入學生教科書。但首先,我們需要進一步研究它。

「目前,我們對其結構有了很好的了解,但對其反應性仍然知之甚少。如果我們找到其他合適的組合金屬原子,將來很可能會合成其他異雙金屬二茂金屬。

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